Technologia stojąca za zdjęciami, które wykonujemy każdego dnia, ciągle się rozwija. Zmiany jakie towarzyszą kolejnym premierom nowych produktów powodują, że aparaty fotograficzne rejestrują zdjęcia charakteryzujące się coraz wyższą jakością techniczną. Obecnie aparaty kompaktowe posiadają możliwości, które jeszcze nie tak dawno były tylko ulotnymi marzeniami fotoamatorów. Czy ktoś jeszcze kilka lat temu wierzył w to, że aparat kompaktowy będzie w stanie rejestrować obrazy HDR, samoczynnie wykonywać panoramy czy też zapisywać wideo z jakością Full HD? Teraz jest to możliwe, a my, użytkownicy aparatów, możemy się cieszyć kolejnymi usprawnieniami i opcjami, jakie oferują nam współczesne aparaty kompaktowe.

Jedno z takich rozwiązań możemy poznać i wykorzystać w aparatach Sony Cyber-shot. Wyjątkowość technologii Exmor R, którą się teraz zajmiemy tkwi w odmiennym podejściu do budowy matrycy cyfrowej rejestrującej obraz widziany przez obiektyw. Patrząc kompleksowo na aparat jako całość szybko dojdziemy do wniosku, że matryca to komponent, który determinuje nie tylko jakość uzyskiwanych zdjęć ale również możliwości aparatu. To, że aparat będzie w stanie szybko i wydajnie działać wprost uzależnione jest od cech matrycy. Oczywiście matryca to nie wszystko ale stwierdzenie, że jest to element kluczowy, jest jak najbardziej uprawnione.

----- R E K L A M A -----

CANON R6 MARK II + OBIEKTYW TANIEJ O 1500zł

Canon 85/2 RF Macro IS STM

2598 zł 1098 zł

Canon 70-200/4 RF L IS USM

6498 zł 4998 zł

Canon 50/1.2 RF L USM

10998 zł 9498 zł

Canon R6 Mark II

11498 zł

Sony Cyber-shot DSC-TX100

Wróćmy jednak do samej matrycy Exmor R i jej cech, które stanowią o jej wyjątkowości. Aby lepiej zrozumieć działanie tej technologii warto dowiedzieć się tego, jak wyglądał świat matryc cyfrowych aparatów fotograficznych przed pojawieniem się technologii Exmor R. Był on zdominowany przez dwa podstawowe rodzaje elementów światłoczułych zasadniczo różniących się budową. Chodzi tu o matryce CCD oraz CMOS, które nadal niepodzielnie królują we wnętrzach aparatów fotograficznych oraz kamer. Jednak to, czym się różnią i jakie możliwości nam dają to przysłowiowy diabeł tkwiący w szczegółach. W chwili obecnej ciężko jest wskazać bardzo duże różnice w efektach jakie uzyskujemy stosując obydwa typy matryc, jednak nie da się ukryć że istnieją. Skupmy się teraz na tym, co może zainteresować użytkowników bez zagłębiania się w detale.

Matryca CCD (Charge Coupled Device) to technologia pozwalająca na rejestrację obrazu w postaci cyfrowej, a jej początek datuje się na rok 1969. Od tego czasu chipy CCD przebyły bardzo długą i burzliwą ewolucję, a jednym z liderów w rozwoju tej technologii była firma Sony. Warto przypomnieć, że pierwszym wprowadzonym na rynek urządzeniem rejestrującym obraz, korzystającym z dobrodziejstw technologii półprzewodnikowej była kamera Sony Mavica (1981 r.), która pracowała w oparciu o matrycę CCD. Jaka więc jest matryca CCD? Świetnie radzi sobie z kolorami oraz dynamiką, daje obraz o dużej szczegółowości i ostrości ale ma kłopoty ze wzrostem czułości ISO ponieważ wtedy pojawia się szum. Nie jest to też matryca, która pozwala na szybkie sczytywanie informacji, co wynika z jej budowy i sposobu pracy. Sygnał jaki jest z niej uzyskiwany ma też charakter analogowy, co skutkuje zastosowaniem dodatkowych przetworników, które zamienią sygnał na cyfrowy.

Porównanie budowy matryc CCD i CMOS

Matryca CCD w aparacie fotograficznym lub kamerze jest zbudowanym z krzemu światłoczułym detektorem gromadzącym fotony, czyli światło padające na niego w czasie ekspozycji. Składa się on z bardzo małych segmentów noszących nazwę pikseli, których wielkość mierzona jest w tysięcznych częściach milimetra. Fotony padające na matrycę na skutek zjawiska fotoelektrycznego wewnętrznego wytrącają elektrony, które przejmują ich energię a oswobodzone w ten sposób elektrony wpadają do studni potencjału tworzonej w każdym pojedynczym pikselu. Studnia potencjału tworzona jest z pomocą przyłożonej elektrody doprowadzającej napięcie. Piksel staje się dzięki temu swego rodzaju pojemnikiem na światło, a długość ekspozycji wpływa na ilość elektronów gromadzonych w studni. Po zakończeniu ekspozycji zgromadzone w pikselach elektrony zostają przeliczone i stąd wiadome jest natężenie światła dla poszczególnych pikseli. W tym momencie warto jeszcze dopowiedzieć, że odczytywanie informacji z pikseli odbywa się rzędami. Pozyskane w ten sposób sygnały wędrują do wzmacniacza sygnału, a następnie są przetwarzane przez przetwornik analogowo-cyfrowy do postaci cyfrowej zrozumiałej dla aparatu.

CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) to odrobinę starsza technologia (opisana w 1963 r.), która przez pewien czas pozostawała w cieniu CCD, głównie z powodu trudności w opracowaniu sposobu na przemysłowe (masowe) wytworzenie chipa zdolnego do rejestrowania obrazu. Technologia wytwarzania matryc CMOS powstała tak naprawdę z myślą o produkowaniu układów scalonych i na samym początku nie była ukierunkowana na tworzenie matryc obrazowych. Technologia ta bazuje na wytwarzaniu układów tranzystorów MOS, które tworzone są z trzech oddzielnych warstw. Pierwszą z nich jest płyta monokryształu krzemu będąca podstawą całej matrycy. Na taką bazę napylana jest cienka warstwa krzemionki, która pełni rolę izolatora. Dopełnieniem całości jest ostatnia – równie cienka jak poprzednia – warstwa przewodnika (metalu, np. złota). Układy CMOS charakteryzują się niskim poborem energii ponieważ zawarte w nich tranzystory są tak połączone, że przy ustalonym stanie logicznym tylko jeden z nich przewodzi, a co za tym idzie układ nie pobiera prądu i nie generuje ciepła. Kolejną, bardzo istotną dla producentów zaletą, jest relatywnie niski koszt wytworzenia, co w dużej mierze przyczyniło się do rozpowszechnienia technologii CMOS. Jednak przez wiele lat stosowano ją wyłącznie do wytwarzania elementów komputerowych (np. pamięci RAM). Masowa produkcja układów CMOS służących do rejestrowania obrazów jest osiągnięciem ostatnich kilkunastu lat.

Aby dopełnić opis matryc CMOS trzeba wspomnieć o jeszcze jednej rzeczy. Podobnie jak to ma miejsce w przypadku CCD, matryca CMOS pełni rolę światłoczułego sensora podzielonego na piksele, a proces wyłapywania fotonów jest analogiczny. Różnica tkwi w samej strukturze CMOS i tym, jaki jest rezultat jego pracy. CMOS jest tak zbudowany, że konwersja sygnału z analogowego na cyfrowy następuje już w pojedynczych komórkach (pikselach), a dane z nich otrzymywane są sczytywane w całości z całego sensora a nie rzędowo, jak to ma miejsce w technologii CCD.

Stosując matrycę CMOS nie trzeba się martwić o szybkość pozyskiwania danych o rejestrowanym obrazie, tak jak to ma miejsce w przypadku znacznie wolniejszej matrycy CCD. Matryce CMOS, które kilka lat temu pojawiały się na rynku nie pozwalały jednak na rejestrowanie obrazu z tak wysoką jakością jak w przypadku CCD i pewnie dlatego do tej pory krążą opinie o niższej jakości matryc CMOS. Aktualnie wytwarzane matryce CMOS nie wpisują się w ten schemat i można zaryzykować stwierdzenie, że CMOS już niczym nie ustępuje matrycom CCD, a przecież technologia ta wciąż bardzo szybko się rozwija.

Pomimo sporych różnic w budowie i działaniu obydwie matryce mają jedną wspólną cechę. Chodzi tu mianowicie o sposób, w jaki sensory te rozpoznają kolory. Matryce same w sobie nie są w stanie rozróżnić barw i dlatego większość producentów matryc posługuje się rozwiązaniem, które nazywane jest filtrem Bayera. Jest to warstwa usytuowana bezpośrednio przed powierzchnią matrycy i składa się z filtra o trzech podstawowych barwach: czerwonym, zielonym i niebieskim. W taki sposób poszczególne komórki światłoczułe są wrażliwe na konkretny kolor, a obraz generowany jest z użyciem skomplikowanych algorytmów interpolacji, dzięki którym możemy później oglądać zapisany obraz.

Dużym skokiem jakościowym było opracowanie sposobu produkcji matryc CMOS o charakterystyce BSI (Back Side Illumination), które pod nazwą Exmor R stosuje firma Sony . Cały pomysł opiera się o zasadnicze przemiany w fizycznej budowie matrycy CMOS. Zmianie uległo położenie fotodiod światłoczułych, które w matrycach wykonanych w technologii Exmor R znajdują się wierzchu krzemowego podłoża matrycy. Tradycyjne CMOS-y budowano odmiennie, a fotodiody były umieszczone pod warstwą przewodów i tranzystorów, co skutkowało dużymi ubytkami światła. Fotony, aby dotrzeć do fotodiody musiały przebić się przez labirynt układu scalonego, który działał jak drobne sito. Zmiana położenia warstwy światłoczułej powoduje, że matryca staje się bardziej wrażliwa na światło.

Porównanie budowy typowej matrycy CMOS FSI (Front Side Illuminated) i CMOS BSI

Wiemy już, jak z technicznej strony prezentują się zmiany wprowadzone w matrycach Exmor R i warto zastanowić się chwilę jakie korzyści może nam przynieść ich stosowanie. Dla zdecydowanej większości użytkowników aparatów kompaktowych ważne jest to, aby aparat potrafił dać dobrej jakości zdjęcie w niemal każdych warunkach. Liczą się prawidłowo odwzorowane kolory, bardzo dobra ostrość i kontrast oraz duża ilość detali bez szumów i przebarwień. Do tej pory było to możliwe do osiągnięcia tylko wtedy, gdy światła było dużo, gdy aparat nie musiał zmagać się ze słabym oświetleniem. Niestety to bardzo ogranicza możliwości fotografa, bo przecież nie zawsze możemy lub chcemy fotografować w środku słonecznego dnia na jasnej i gorącej plaży. Idealnym przykładem są zdjęcia we wnętrzach, gdzie bardzo często trzeba się posługiwać dodatkowymi źródłami światła takimi jak lampy błyskowe, albo podnosić czułość ISO do bardzo wysokiego poziomu. Większość posiadaczy aparatów kompaktowych bez matryc Exmor R próbowała zapewne wykonywać zdjęcia po zmroku np. na ulicy. Efekty takiej zabawy niejednokrotnie bywają mizerne, a zdjęcia są najczęściej przebarwione i zanieczyszczone szumem.

Tradycyjna matryca FSI	Matryca BSI

Porównanie obrazu zarejestrowanego przy oświetleniu o natężeniu 30 lux
Aparat cyfrowy, którego matryca jest bardziej wyczulona na światło niż to było w przypadku starej technologii to bardzo duży plus. W miejscach, gdzie wcześniej trudno było wykonać wysokiej jakości zdjęcie pozbawione ogromnej dawki szumów, teraz można się pokusić o swobodne fotografowanie. Ale matryce Exmor R to nie tylko fotografia. Ten rodzaj matryc jest też używany w wielu modelach kamer wideo Handycam, które dzięki temu są w stanie zapisywać obraz ruchomy charakteryzujący się bardzo wysoką jakością nawet przy słabym oświetleniu towarzyszącym nagraniu. Aparaty fotograficzne Cyber-shot także pozwalają nam na rejestrację obrazu wideo. Możemy skorzystać z trybu Full HD o rozdzielczości 1920×1080/50p, co gwarantuje nam bardzo dobrej jakości obraz i w połączeniu z niskim poziomem szumów czyni z aparatów Cyber-shot ciekawe narzędzie do fotografowania i nagrywania filmów.

Sporo wiemy już o matrycach, ale przecież to nie jest jedyny komponent składający się na nasz aparat, który wpływa na jego wydajność, szybkość i efekty jakie uzyskujemy. Dane, które zgromadziła matryca światłoczuła muszą zostać przetworzone i zamienione na obrazy. W tym celu każdy aparat zawiera w sobie przynajmniej jeden procesor obrazu, który odpowiada za to, aby światło widziane przez matrycę zostało nam pokazane w formie obrazu na LCD i później na finalnym wydruku. W produktach Sony również znajdziemy taki procesor, który jest przez producenta nazwany BIONZ. Jest to jest wysoce wyspecjalizowany układ, który powstał z myślą o przetwarzaniu danych we wnętrzach urządzeń rejestrujących obraz stały i ruchomy. Procesor ten pierwszy raz pojawił się w cyfrowych lustrzankach jednoobiektywowych produkowanych przez Sony ale obecnie jest stosowany w znacznie szerszym asortymencie: kamerach, aparatach kompaktowych i lustrzankach.

Sony Cyber-shot DSC-HX9

BIONZ jest odpowiedzialny za takie przetworzenie surowych danych z matrycy światłoczułej aby wydobyć z nich uchwycony w liczbach obraz. W kompetencji procesora obrazu leży więc konwersja sygnału biegnącego z matrycy, redukcja zakłóceń (czyli szumu), oraz kompresja plików wynikowych i przekazanie ich do zapisu na nośnik (kartę pamięci). Praca procesora BIONZ to także zapewnienie pożądanej reprodukcji barw, wyostrzenie obrazu oraz regulacja kontrastu według naszych wytycznych. BIONZ zajmuje się także zszywaniem panoram, składaniem obrazów HDR, przetwarzaniem plików wideo oraz wieloma innymi funkcjami, w które wyposażane są aparaty fotograficzne i kamery.

Procesor obrazu BIONZ

W następnym artykule tej serii przyjrzymy się bliżej możliwościom, jakie dają nam aparaty kompaktowe Cyber-shot wyposażone w matrycę Exmor R i produkowane przez Sony. Opis będzie oparty o trzy modele: DSC-WX7, DSC-TX100 oraz DSC-HX9. Są to przedstawiciele trzech najpopularniejszych rodzajów aparatów, które można odnaleźć w katalogu Sony. Lekki, mały i poręczny WX-7 to znakomita propozycja dla osób ceniących sobie wygodę użytkowania. TX100 ze swoją niecodzienną budową i bardzo dobrymi właściwościami użytkowymi może stać się eleganckim narzędziem do fotografowania nawet w najbardziej nadzwyczajnej sytuacji. HX9 to już konstrukcja zupełnie innego rodzaju, która dostarcza użytkownikowi ogromną dawkę możliwości, ułatwień i sposobów na fotografowanie i filmowanie w solidnej i wygodnej obudowie. Praktycznie każdy znajdzie coś dla siebie, ale to przecież nie tylko atrybuty zewnętrzne są najważniejsze. Najbardziej będzie nas interesować to, jak aparaty Cyber-shot będą się spisywać w praktyce.

Artykuł został przygotowany przy współpracy z Sony Foto Team.
Sponsorem cyklu „Wielkie filmowanie małym aparatem” jest firma Sony Europe Limited, Sp. z o.o. Oddział w Polsce.